基于mimo信道通信的圖像信息隱藏方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于MIMO信道通信的圖像信息隱藏方法及系統(tǒng)，所述隱藏方法包括以下步驟：將載體圖像通過一級小波變換分解成對角線高頻子帶、垂直高頻子帶、水平高頻子帶及低頻子帶，選取所述垂直高頻子帶、水平高頻子帶作為第一MIMO信道及第二MIMO信道；通過卷積碼編碼器對隱秘信息進行卷積編碼、Alamouti空時分組編碼及基于塊的空時交織；將空時交織后的隱秘信息通過加性算法公式嵌入至所述載體圖像的第一MIMO信道及第二MIMO信道中；將所述載體圖像通過小波逆變換重構圖像，得到隱秘圖像。本發(fā)明既提高了信息隱藏的檢測可靠性，又保證了隱秘信息的不可感知性，實現(xiàn)了大容量的圖像信息隱藏。
【專利說明】基于ΜΙΜΟ信道通信的圖像信息隱藏方法及系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及數(shù)字媒體信息安全【技術領域】，特別涉及一種基于ΜΙΜΟ信道通信的圖 像信息隱藏方法及系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002] 隨著數(shù)字化技術的迅速發(fā)展，數(shù)字多媒體（圖像、視頻、音頻和三維計算機圖形 等）的應用日益廣泛。特別是隨著計算機網(wǎng)絡通訊技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)的交換和傳輸變成了 一個相對簡單的過程。人們借助于計算機、數(shù)字掃描儀、打印機等電子設備可以方便、迅捷 地將數(shù)字信息傳達到世界各地。多媒體信息的數(shù)字化為多媒體信息的存取提供了極大的便 利，但隨之而來的信息安全問題也日益突出，數(shù)字媒體內(nèi)容的安全成為迫切需要解決的。
[0003] 信息隱藏技術（Information Hiding)在許多應用領域，信息隱藏技術正越來越受 到重視。數(shù)字化音頻、視頻和圖片可以嵌入不可見的標志，這些標志隱含了一些版權標識、 序列號等，甚至有可能直接限制未授權的復制。軍用通訊系統(tǒng)不斷拓展信息安全技術的使 用，不僅是使用加密技術來加密一條消息的內(nèi)容，還要求隱藏消息的發(fā)送者、接收者，甚至 是消息本身的存在。同樣的技術也使用在移動電話系統(tǒng)和電子選舉方案中。犯罪分子將信 息隱藏和數(shù)字水印技術（Watermarking)應用于現(xiàn)有的通訊系統(tǒng)，而警方則試圖限制他們 的使用。解決數(shù)字圖像的真實性、完整性問題的圖像認證（Authentication)技術在近年來 也得到了快速的發(fā)展。數(shù)字水印實質(zhì)上也是一類信息隱藏，但是其目的不是為了保密通信， 而是為了標明載體本身的一些信息，如多媒體信息的創(chuàng)作者、版權信息、使用權限等一系列 需要標明的信息，利用數(shù)字水印，還可以跟蹤多媒體產(chǎn)品的非法傳播和擴散，打擊盜版。
[0004] 信息隱藏系統(tǒng)從本質(zhì)上可以看作是一種通信系統(tǒng)，隱秘信息是通信系統(tǒng)要傳輸?shù)?信息，載體對象被看成為信道，故可將信息隱藏系統(tǒng)與傳統(tǒng)的通信模型進行匹配，并用通信 理論分析系統(tǒng)的性能。衡量通信系統(tǒng)性能的一個關鍵性指標為信道容量，即單位時間內(nèi)信 道上所能傳輸?shù)淖畲笮畔⒘?，它給出了通信系統(tǒng)傳輸信息的理論極限。目前的信息隱藏方 法基本上都是基于單輸入單輸出（Single Input Single 0utput，SIS0)通信系統(tǒng)。SIS0系 統(tǒng)在信道容量上受Shannon容量限制。
[0005] 隨著Internet和多媒體等高速數(shù)據(jù)業(yè)務在無線通信系統(tǒng)中的廣泛應用，4G移動 通信系統(tǒng)需要在有限的無線頻率資源范圍內(nèi)，提供比現(xiàn)有的第二代移動通信（2G)系統(tǒng)和 第三代移動通信（3G)系統(tǒng)更高的傳輸速率。然而由經(jīng)典的香農(nóng)信息論可知，對4G系統(tǒng)容量 的要求遠遠超過了傳統(tǒng)的香農(nóng)信道容量極限。換句話說，采用傳統(tǒng)的通信手段根本無法獲 得如此高的信道容量的。因此，要想超越經(jīng)典香農(nóng)理論設定的信道容量極限，必須要有全新 的理論支持。AT&T Bell實驗室提出的多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output, ΜΜ0)技術是通信領域出現(xiàn)的具有革命意義的重大技術進步，是移動通信與個人通信系統(tǒng) 實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率、提高傳輸質(zhì)量的重要途徑。ΜΙΜ0技術是指利用多發(fā)射、多接收天線進行空 間分集的技術，能夠有效地將通信鏈路分解成為許多并行的子信道，從而大大提高了信道 容量。
[0006] ΜΜ0系統(tǒng)是在通信鏈路的發(fā)送端與接收端均使用多個天線的傳輸系統(tǒng)。輸入的 串行碼流通過某種方式（編碼、調(diào)制、加權、映射）轉換成幾路并行的獨立子碼流，通過不同 的發(fā)射天線發(fā)送出去。不同的子碼流同時同頻帶的發(fā)送，接收方利用不少于發(fā)送天線數(shù)目 的天線組進行接收，并利用估計出的信道傳輸特性與發(fā)送子碼流間一定的編碼關系對多路 接收信號進行空域與時間域上的處理，從而分離出幾路發(fā)送子碼流，再轉換成串行數(shù)據(jù)輸 出。ΜΙΜΟ將信道視為若干并行的子信道，在不需要額外帶寬的情況下實現(xiàn)頻譜資源重復利 用，理論上可以極大的擴展頻帶利用率、提高無線傳輸速率，同時還增強了通信系統(tǒng)的抗干 擾性能。ΜΜ0技術實質(zhì)上是為系統(tǒng)提供空間復用增益和空間分集增益。空間復用技術可以 大大提高信道容量，而空間分集則可以提高信道的可靠性，降低信道誤碼率。
[0007] 空時編碼STC (Space-Time Coding)是一種能獲取更高數(shù)據(jù)傳輸率的信號編碼技 術，是空間傳輸信號和時間傳輸信號的結合，實質(zhì)上就是空間和時間二維的處理相結合的 方法。在ΜΜ0通信系統(tǒng)中，空間上采用多發(fā)多收天線的空間分集來提高無線通信系統(tǒng)的容 量和信息率；在時間上把不同信號在不同時隙內(nèi)使用同一個天線發(fā)射，使接收端可以分集 接收。用這樣的方法可以獲得分集和編碼增益，從而實現(xiàn)高速率的傳輸。
[0008] 目前，現(xiàn)有的某些信息隱藏方法利用了傳統(tǒng)信道通信技術。傳統(tǒng)通信系統(tǒng)采用單 輸入單輸出信道，稱作SIS0(單入單出）通信系統(tǒng)，SIS0系統(tǒng)在信道容量上受Shannon容 量限制。也就是說，目前基于通信理論的信息隱藏算法在容量上受Shannon容量限制，無法 大量嵌入隱秘信息，且可靠性較低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明提出一種基于ΜΜ0信道通信的圖像信息隱藏方法及系統(tǒng)，其既能提高信 息隱藏的檢測可靠性，又可保證隱秘信息的不可感知性，實現(xiàn)大容量的圖像信息隱藏。
[0010] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術方案：
[0011] 一種基于ΜΙΜ0信道通信的圖像信息隱藏方法，包括以下步驟：將載體圖像通過一 級小波變換分解成對角線高頻子帶、垂直高頻子帶、水平高頻子帶及低頻子帶，選取所述垂 直高頻子帶、水平高頻子帶作為載體圖像的第一 ΜΙΜ0信道及第二ΜΙΜ0信道；通過卷積碼編 碼器對隱秘信息進行卷積編碼，對經(jīng)過卷積編碼后的隱秘信息進行Alamouti空時分組編 碼，形成信號向量相互正交的第一子數(shù)據(jù)流及第二子數(shù)據(jù)流；對所述第一子數(shù)據(jù)流及第二 子數(shù)據(jù)流做基于塊的空時交織，使得隱秘信息在空間及時間（嵌入順序）上產(chǎn)生對角分層； 將空時交織后的隱秘信息通過加性算法公式嵌入至所述載體圖像的第一 ΜΙΜ0信道及第二 ΜΜ0信道中；將所述載體圖像通過小波逆變換重構圖像，得到隱秘圖像。
[0012] 進一步，在上述基于ΜΜ0信道通信的圖像信息隱藏方法中，所述卷積碼編碼器輸 入的隱秘信息為序列m = mi，m2，…，m」，…;卷積碼編碼器的輸入的一隱秘信息碼元為{m」}， 則卷積碼編碼器輸出碼字為{nij， Pj}，其中Pj = Θ m^。
[0013] 進一步，在上述基于ΜΜ0信道通信的圖像信息隱藏方法中，所述將空時交織后的 隱秘信息通過加性算法公式嵌入至所述載體圖像的第一 ΜΙΜ0信道及第二ΜΙΜ0信道中的步 驟之前還包括：
[0014] 根據(jù)所述第一 ΜΜ0信道及第二ΜΜ0信道的信噪比分配信道功率。
[0015] 進一步，在上述基于ΜΜ0信道通信的圖像信息隱藏方法中，所述加性算法公式y(tǒng)i -Xi+Wi+Πι，
[0016] 其中，所述Xi表示宿體（cover)圖像，Wi表示隱秘信息，叫表示噪聲，yi表示隱秘 圖像。
[0017] 進一步，在上述基于ΜΜ0信道通信的圖像信息隱藏方法中，所述噪聲可見性函數(shù) 為：

【權利要求】
1. 一種基于ΜΙΜΟ信道通信的圖像信息隱藏方法，其特征在于，所述方法包括以下步 驟：將載體圖像通過一級小波變換分解成對角線高頻子帶、垂直高頻子帶、水平高頻子帶 及低頻子帶，選取所述垂直高頻子帶、水平高頻子帶作為載體圖像的第一 ΜΙΜΟ信道及第二 ΜΜ0信道；通過卷積碼編碼器對隱秘信息進行卷積編碼，對經(jīng)過卷積編碼后的隱秘信息進 行Alamouti空時分組編碼，形成信號向量相互正交的第一子數(shù)據(jù)流及第二子數(shù)據(jù)流；對所 述第一子數(shù)據(jù)流及第二子數(shù)據(jù)流做基于塊的空時交織，使得隱秘信息在空間及時間（嵌入 順序）上產(chǎn)生對角分層；將空時交織后的隱秘信息通過加性算法公式嵌入至所述載體圖像 的第一 MM0信道及第二MM0信道中；將所述載體圖像通過小波逆變換重構圖像，得到隱秘 圖像。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于ΜΙΜΟ信道通信的圖像信息隱藏方法，其特征在于，所述 卷積碼編碼器輸入的隱秘信息為序列m = ，…，mj，…；卷積碼編碼器的輸入的一隱秘 信息碼元為{nij}，則卷積碼編碼器輸出碼字為{Π ^ρ』}，其中? my。
3. 根據(jù)權利要求2所述的基于ΜΙΜΟ信道通信的圖像信息隱藏方法，其特征在于，所述 將空時交織后的隱秘信息通過加性算法公式嵌入至所述載體圖像的第一 ΜΙΜΟ信道及第二 ΜΙΜΟ信道中的步驟之前還包括： 根據(jù)所述第一 ΜΜ0信道及第二ΜΜ0信道的信噪比分配信道功率。
4. 根據(jù)權利要求1所述的基于ΜΜ0信道通信的圖像信息隱藏方法，其特征在于，所述 加性算法公式y(tǒng)i = Xi+Wi+iv 其中，所述Xi表示宿體（cover)圖像，Wi表示隱秘信息，叫表示噪聲，又1表示隱秘圖像。
5. 根據(jù)權利要求4所述的基于ΜΙΜΟ信道通信的圖像信息隱藏方法，其特征在于，所述 噪聲可見性函數(shù)為：
其中，1彡i，j彡Ν，σ丨(/·./)為圖像局部區(qū)域的方差；

其中，Υ為形狀參數(shù)，〇x(i，j)為圖像的局部標準差，只/,刀為圖像的局部均值。
6. 根據(jù)權利要求1所述的基于MM0信道通信的圖像信息隱藏方法，其特征在于，所述 得到隱秘圖像之后還包括以下步驟： 將隱秘圖像通過一級小波變換分解成對角線高頻子帶、垂直高頻子帶、水平高頻子帶 及低頻子帶；根據(jù)載體圖像從所述垂直高頻子帶、水平高頻子帶中提取嵌入的信息；采用 迫零檢測算法消除第一 ΜΙΜΟ信道及第二ΜΙΜΟ信道之間的干擾；對基于塊的空時交織信號 進行解交織處理，形成信號向量相互正交的第一子數(shù)據(jù)流及第二子數(shù)據(jù)流；對所述第一子 數(shù)據(jù)流及第二子數(shù)據(jù)流進行Alamouti空時分組解碼，形成一數(shù)據(jù)流；通過卷積解碼器對所 述數(shù)據(jù)流進行卷積解碼，得到隱秘信息。
7. -種基于ΜΙΜΟ信道通信的圖像信息隱藏系統(tǒng)，其特征在于，包括依次連接的圖像分 解模塊、ΜΙΜΟ信道選取模塊、卷積編碼模塊、空時分組編碼模塊、空時交織模塊、隱秘信息嵌 入模塊及圖像重構模塊； 所述圖像分解模塊用于將載體圖像通過一級小波變換分解成對角線高頻子帶、垂直高 頻子帶、水平高頻子帶及低頻子帶； 所述ΜΜ0信道選取模塊用于選取所述垂直高頻子帶、水平高頻子帶作為載體圖像的 第一 ΜΜ0信道及第二ΜΜ0信道； 所述卷積編碼模塊用于對隱秘信息進行卷積編碼； 所述空時分組編碼模塊用于對經(jīng)過卷積編碼后的隱秘信息進行Alamouti空時分組編 碼，形成信號向量相互正交的第一子數(shù)據(jù)流及第二子數(shù)據(jù)流； 所述空時交織模塊用于對所述第一子數(shù)據(jù)流及第二子數(shù)據(jù)流做基于塊的空時交織，使 得隱秘信息在空間及時間（嵌入順序）上產(chǎn)生對角分層； 所述隱秘信息嵌入模塊用于將空時交織后的隱秘信息通過加性算法公式嵌入至所述 載體圖像的第一 MM0信道及第二MM0信道中； 所述圖像重構模塊用于將所述載體圖像通過小波逆變換重構圖像，得到隱秘圖像。
【文檔編號】H04N1/32GK104104690SQ201410376354
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年8月1日 優(yōu)先權日:2014年8月1日
【發(fā)明者】張帆, 張新紅, 張伯言 申請人:河南大學